CC BY
83
УДК 621.791
Е.М. Федосеева, М.Н. Игнатов, А.М. Игнатова
Пермский государственный технический университет
РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ МИКРОЗОНДОВЫЙ АНАЛИЗ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Изучен минералогический состав неметаллических включений в сварных швах низколегированных трубных сталей, предназначенных для изготовления магистральных нефтепроводов и газопроводов. Для исследования использован метод рентгеноспектрального микрозондового анализа. Установлено, что минералогический состав неметаллических включений зависит от химического состава стали, в частности от элементов, вводимых в сталь в качестве раскислите-лей. Химический состав включений наряду с другими их свойствами имеет решающее значение при изучении влияния неметаллических включений на качество сварного соединения и стали в целом.
Неметаллические включения в сварном соединении являются неизбежным дефектом и оказывают крайне негативное влияние на его эксплуатационные качества. Как правило, в материал шва включения приносятся из основного металла, а поскольку полностью избежать их присутствия нельзя, современные стандарты регламентируют их количество и размер. Сварные соединения, в которых неметаллических включений больше допустимого количества или размер которых превышает максимальный предусмотренный стандартом, являются дефектными. Допустимая концентрация кислорода в неметаллических включениях находится в пределах 0,001-0,005, максимально допустимый диаметр 200-500 мкм.
До последнего времени исследования в области обеспечения снижения числа неметаллических включений были направлены на усовершенствование технологии получения сварного соединения, однако природа самих включений оставалась окончательно невыясненной. Известно, что они состоят из оксидов, реже - из сульфидов, нитридов и силикатов, однако состав самих включений никогда не регламентировался, и поэтому в настоящее время данных о том, как химический и минералогический состав самих неметаллических включений влияет на технологические, механические и эксплуатационные свойства основного металла и шва, нет [1].
Согласно последним данным, неметаллические включения являются очагами хрупкого разрушения, вызывают анизотропию таких свойств, как пластичность, кроме того, играют большую роль в развитие усталостной прочности, поскольку являются концентраторами напряжения в структуре
металла. Исследователями установлено, что некоторые включения способны провоцировать коррозию металла, такие включения получили название коррозионно-активные неметаллические включения (КАНВ) [2]. Последний факт подтверждает, что для обеспечения высокого качества сварных соединений необходимо иметь информацию не только о количестве и размере неметаллических включений, но и об их составе и структуре, поэтому изучение неметаллических включений является актуальной практической задачей.
Целью работы является исследование неметаллических включений в стальных сварных соединениях, которое включает в себя установление химического и минералогического состава включений, а также выявление характера неравномерности состава включений, расположенных в разных участках шва.
В качестве объекта исследования использовались образцы сварных соединений, аналогичные тем, которые используются при создании магистральных трубопроводов. Они были получены на низкоуглеродистой трубной стали Х70 производства Японии (российский аналог - сталь 10Г2С, класс прочности К60), размер трубы 1420*15,7 мм. Сварка кольцевого шва трубы была выполнена по технологии РД + МПС (корень - ручная дуговая сварка, заполнение и облицовка - полуавтоматическая сварка самозащитной порошковой проволокой) в производственных условиях. Использовались следующие сварочные материалы: для сварки корня шва - электроды LB-52U (ЛБ-52У) (3,2 мм; Kobe Steel, Ltd (Япония)), для заполняющих и облицовочного слоев -самозащитная порошковая проволока Innershield NR-208Spesial (2,0 мм; The Lincoln Electric Company (США)).
Изучение неметаллических включений производилось методом рентгеноспектрального микрозондового анализа, использовался электронный сканирующий микроскоп JSM63090LV (рис. 1) с двумя спектрометрами: энергодисперсионным (ЭДС) и волновым (ВДС).
Рис. 1. Электронный сканирующий микроскоп с двумя спектрометрами для микрозондового анализа
Для проведения исследований из образцов сварных соединений с помощью электроэрозионной резки были вырезаны брусочки размером 7*7*10 мм. Электроэрозионная резка была выполнена на проволочном электроэрозионном станке БСОКЛЭ Ь+10, диаметр использованной проволоки 0,25 мм, скорость резки составила 8 м/с [3]. При проведении анализа с помощью электронного сканирующего микроскопа неровности на поверхности образца могут привести к нетипичному рассеиванию рентгеновских лучей, что может, свою очередь, спровоцировать ошибки в определении концентрации элементов. Поэтому после резки поверхность образцов была тщательно отполирована и очищена.
Сам процесс анализа заключается в том, что образец сканируется с помощью пучка электронов диаметром до 1 мкм (микрозонда). Регистрируется характеристическое спектральное излучение, возникающее под действием сканирующего пучка электронов на поверхности образца и специфичное для каждого элемента. Его интенсивность зависит от содержания данного элемента на поверхности образца. Специальные датчики избирательно регистрируют излучение каждого вида атома (обычно начиная с Ка) и его интенсивность. Таким образом, метод микрозонда дает уникальные возможности для качественного и количественного анализа неметаллических включений на отдельных участках сварного соединения.
Проведенный рентгеноспектральный анализ позволил определить химический состав неметаллических включений, а также идентифицировать их с точки зрения минералогической принадлежности.
Анализ включений производился на двух участках шва, как показано на рис. 2.
Рис. 2. Схема расположения участков в сварном соединении, выбранные для исследования: 1 - корневой шов; 2 - заполняющий слой
Установлено (табл. 1, 2), что неметаллические включения в корне сварного шва и в заполняющих слоях состоят из следующих оксидов: MgO, 8Ю2, Л12О3, МпО, 7пО, ТЮ2, Сг2О3, БеО, N10. В различных включениях комбинация этих компонентов, их соотношение, а также комплексные соединения, образуемые ими, различны. Химический и минералогический состав неметаллических включений зависят от химического состава металла шва и сварочных материалов. Результаты, полученные в ходе растрового микрозондового анализа,
(табл. 1, 2) также содержат данные об элементах, которые имеются в металлической части шва, но не входят в состав включений в виде и их оксидов, это свидетельствует о том, что не все элементы, присутствующие в металле, вступают в окислительные реакции и формируют включения, в частности такими элементами являются ванадий, титан и кобальт. При повышенных содержаниях кремния и марганца в металле шва заметно увеличиваются концентрации окислов этих элементов в составе оксидных включений, соответственно уменьшается содержание в них окислов железа. Общее количество других оксидных включений в шве при этом также уменьшается (табл. 1, 2, рис. 3, 4).
Таблица 1
Состав неметаллического включений на участке № 2 (середина шва), заполняющий слой - самозащитная порошковая проволока
Элемент Условная концентрация Весовой, % Содержание, % Формула Число ионов
Мй К 4,33 18,19 30,15 МйО 12,80
А1 К 0,07 0,32 0,60 А12О3 0,20
БІ К 6,07 25,07 53,64 БІО2 15,28
Б К 0,29 11,71 29,24 БО3 7,21
Сг К 0,02 0,07 0,11 Сг2О3 0,02
Мп К 0,02 0,09 0,11 МпО 0,03
Бе К 3,08 11,62 14,95 БеО 3,56
Со К 0,00 0,00 0,00 СоО 0,00
№ К 0,09 0,34 0,43 №ІО 0,10
О 44,30 47,39
Итоги 100,00
Сумма анионов 47,39
Рис. 3. Спектр распределения химических элементов в неметаллическом включении (участок № 2)
Участие алюминия в металле шва ведет к появлению в составе неметаллических включений (табл. 1) герцинита БеО-А1203.
Таблица2
Состав неметаллического включения в зоне повышенного содержания алюминия (середина шва), заполняющий слой -самозащитная порошковая проволока
Элемент Условная концентрация Весовой, % Содержание, % Формула Число ионов
Мй К 2,60 18.39 30,49 МйО 12,74
Бі К 4,10 30,29 64,80 БІО2 18,16
ТІ К 0,00 0,00 0,00 ТІО2 0,00
V К 0,00 0,00 0,00 V2O5 0,00
Сг К 0,01 0,09 0,14 Сг2О3 0,03
Мп К 0,00 0,00 0,00 МпО 0,00
Бе К 0,46 3,28 4,22 БеО 0,99
Со К 0,00 0,00 0,00 СоО 0,00
№І К 0,04 0,27 0,35 №ІО 0,08
О 47,67 50,18
Итоги 100,00
Сумма анионов 50,18
Іонная шкапа 6902 имп кэб|
Рис. 4. Спектр распределения химических элементов в неметаллическом включении (участок № 2)
При наличии хрома в шве образуются включения хромита БеО-Сг2О3 (табл. 1-4; рис. 3 и 4). Такие элементы, как ванадий, титан и кобальт, не образуют соединений, входящих в неметаллические включения.
Таблица 3
Состав неметаллического включения на участке № 1 (корень шва), сварка покрытым электродом
Элемент Условная концентрация Весовой, % Содержание, % Формула Число
Мй К 0,01 0,10 0,16 МйО 0,09
А1 К 0,10 0,57 1,08 А12О3 0,48
Са К 0,47 1,26 1,77 СаО 0,72
Т К 0,00 0,00 0,00 Т1О2 0,00
V К 0,00 0,00 0,00 V2O5 0,00
Сг К 0,03 0,08 0,12 Сг2О3 0,03
Мп К 0,26 0,84 1,09 МпО 0,35
Бе К 23,35 74,35 95,65 БеО 30,28
Со К 0,00 0,00 0,00 СоО 0,00
N1 К 0,03 0,11 0,14 №О 0,04
О 22,69 32,26
Итоги 100,00
Сумма анионов 32,26
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Полная шкала 6813 имп.______________________________________________________________________________________________________кэВ|
Рис. 5. Спектр распределения химических элементов неметаллическом включении в корне шва
Установлено (табл. 3, 4), что выявленные в швах ручной дуговой сварки покрытым электродом (участок № 1) оксидные включения по минералогическому составу можно разделить на следующие:
- смешанные железо-марганцевые оксиды, представляющие собой непрозрачные включения преимущественно шарообразной формы. Их образованию способствует высокая окисленность металла шва при низком содержании кремния и отсутствии других активных раскислителей;
- железо-марганцевые силикаты, имеющие вид полупрозрачных округлых включений с вкраплениями темных частиц;
- стекловидный кремнезем (прозрачные частицы шарообразной или неправильной формы), встречается преимущественно в хорошо раскисленных кремнием швах.
Отдельные сульфиды здесь не выявлены, однако присутствуют сложные включения типа оксисульфидов (табл. 4). В связи с большей растворимостью серы в жидкой стали по сравнению с кислородом в процессе охлаждения и затвердевания металла сварочной ванны сульфидные включения образуются при более низких температурах, чем оксидные. Поэтому сера может выделяться на уже существующих оксидных включениях с образованием ок-сисульфидов (табл. 4, рис. 6 и 7). Аналогично образуются и другие сложные сульфидные включения.
Таблица 4
Состав неметаллического включения оксисульфидного типа в корне шва
Элемент Условная концентрация Весовой, % Содержание, % Формула Число
N К 0,07 5,38 7,25 Ш2О 4,62
Мй к 0,03 1,90 3,15 МйО 1,54
А1 К 0,05 2,81 5,30 А12О3 2,05
Б1 К 0,04 2,12 4,54 Б1О2 1,49
Б К 0,29 11,71 29,24 БО3 7,21
С1 К 0,06 2,48 0,00 1,38
Са К 0,49 18.75 26,23 СаО 9,23
Т1 К 0,01 0,43 0,72 Т1О2 0,18
V К 0,00 0,00 0,00 V2O5 0,00
Сг К 0,00 0,00 0,00 Сг2О3 0,00
Мп К 0,00 0,00 0,00 МпО 0,00
Бе К 0,30 13,42 17,26 БеО 4.74
Со К 0,00 0,00 0,00 СоО 0,00
N1 К 0,00 0,00 0,00 №О 0,00
гп к 0,07 3,07 3,82 гпО 0,93
О 37,93 46,81
Итоги 100,00
Сумма анионов 48,19
Рис. 6. Спектр распределения химических элементов неметаллического включения в корне шва
Рис. 7. Неметаллическое включение оксисульфидного типа в металле корневого шва
Таким образом, рентгеноспектральный микрозондовый анализ неметаллических включений металла сварного шва в его корневой части заполняющих слоях, соответственно выполненных ручной дуговой сваркой покрытым электродом и садозащитной порошковой проволокой, установил, что:
- неметаллические включения в заполненных слоях и корневом шве сварного соединения стали Х70 (аналог 10Г2С) отличаются между собой по химическому и минералогическому составу;
- состав неметаллических включений металла заполненных слоев включает в себя: МйО, БЮ2; А12О3, МпО, гпО, ТЮ2; Сг2О3, БеО, NiO;
- состав неметаллических включений металла корневого шва включает в себя: MgO, SiO2, AI2O3, MnO, ZnO, TiO2, Cr2O3, FeO, NiO, SO3, CaO, ZnO, Na2O;
- такие компоненты сварочных материалов и самой стали, как ванадий, титан и кобальт, в ходе сварочного процесса не образуют соединений, входящих в состав неметаллических включений.
Список литературы
1. Гончаров И.Б. Дефектоскопия оборудования в угольной промышленности: справочное пособие. - М.: Недра, 1990. - 150 с.
2. Вашуль X. Практическая металлография. Методы изготовления образцов / пер. с нем. - М.: Металлургия, 1988. - 320 с.
3. Галдин Н.М., Чернега Д.Ф., Иванчук Д.Ф. Цветное литье: справочник. - М.: Машиностроение, 1989. - 519 с.
4. Гуляев А.П. Металловедение: учебник для вузов. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.
5. Смирнов Н.А. Современные методы анализа и контроля продуктов производства. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1985. - 256 с.
6. Повышение коррозионной стойкости сталей для труб тепловых сетей путем обеспечения чистоты по коррозионно-активным неметаллическим включениям // Тепловые сети. Современные решения: сб. материалов конференции 17-19 мая 2005 г. - URL: http://www.ag-t.ru/ctext/b3.htm.
7. Семенова Е.С. Проблемы оценки качества металла, методы и объем контроля трубопроводной арматуры опасных производственных объектов. Техническое регулирование // Actual Conferens. 2(65) 2010. - С. 22-25.
8. Ромашкин А.Н. Влияние неметаллических включений на свойства стали. - URL: http://www. steelcast.ru/nonmetallic inclusions.
Получено 25.10.2010
